基于PMAC的自动化药房出药升降机的同步控制

出药升降机是自动化药房出药系统中完成处方中盒装药品调配、取出和发送的关键运动部件，其运行速度和重复精度的高低直接影响到自动化药房的处理能力和可靠性。针对系统的实际设计要求，我们在机械传动上采用垂直简支升降、双交流伺服电机同步驱动的方式，在电气控制上采用可编程运动控制器PMAC控制双交流伺服驱动器，使出药升降机双电机具有良好的同步动态特性，不仅大大提高了出药升降机的运行速度和位置精度，而且明显提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的可靠运行1出药升降机垂直简支升降传动原理系统中盒装药品储存的仓库为矩阵式立体储药库，药品按照使用频率的不同和外形尺寸的不同分布在储药库不同的层和列，出药升降机挂在两根直线运动单元上，构成简支梁结构，通过垂直升降运动定位在储药层位置后，完成药品的调配和取出。升降机机械主体材质为铝材，具有柔性特点，为其传动机构示意图。升降机由两个交流伺服电机驱动沿y轴上下往复运动，由于出药升降机跨度大重量大运行速度要求高、位置重复精度要求高，故采用双伺服电机同步驱动的方式2同步控制方案讨论及确定出药升降机双伺服电机的同步控制主要有3种方案，即并联式同步控制、串联式同步控制和位置跟随式同步控制。21并联式同步控制结构原理当双伺服电机需要同步控制时，最直接的控制方法是同时给双电机输入相同的路径指令，如所示，此控制结构被称为并联式同步控制结构由于其各轴的运动回路采用相互独立的设计，两伺服电机间不存在任何交互关系，当任一电机受未知干扰影响其输出时，则无法保证双电机之间的同步性能，因此只适用于无或弱机械结构耦合的同步控制中。对于强机械耦合的结构，若是双电机在任意时刻产生位置不同步现象，极有可能造成机械结构的损害第一伺服第一伺服电机光电编码器电机驱动器1电机驱s动器第岭第二伺服电机光器并联式同步控制结构框2串联式同步控制结构原理如所示，串联式结构也是同步控制的一种传统结构串联式控制结构利用各轴频宽的差异，将两伺服3.2提高系统同步控制精度的几点措施电机分为主动电机和从动电机将主动电机的位置输出在升降机双电机同步运行系统中，影响系统同步作为从动电机的位置输入，根据各轴机械和伺服频宽的运行性能的因素主要来自两方面。其一就是在相对独23位置跟随式同步控制原理位置跟随是PMAC多轴运动控制器自带的一种控制方法，通过它可以协调其控制下的多个轴的运动。将主动电机的编码器信号送入PMAC的编码器，从动电机被告知该编码器寄存器是主寄存器，通过设置跟随使能（1x06）与合适的跟随比（1x071x08），从动电机便可跟随主动电机，达到同步控制11但此控制方法难以实现两电机的速度同步，出现从动电机速度滞后主动电机速度的现象。在实际应用中，考虑到升降机机械结构的柔性特点以及系统应用环境干扰源相对较少等，我们采用了并联式同步控制方式，并采取了一些措施以提高系统的抗干扰能力和同步控制精度3出药升降机的电气同步控制3.1电气控制系统构成系统采用工控机作为上位机，采用PMAC2-PC104四轴运动控制器作为下位控制器，伺服电机采用日本富士交流伺服系统，控制模式采用速度伺服模式系统上、下位机通过ISA总线进行通讯，程序调用指令和控制参数由上位机给定，下位机执行运动程序，给出两通道模拟信号指令，控制伺服电机同步运行。于DSP的可编程四轴运动控制器，它具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简单的特点，能够对存储在它内部的程序进行单独计算，执行运动程序、PLC程序，进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。而且它还可以自动对任务进行优先级判断，从而进行实时的多任务处理这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻了主机和编程器的负担，提高了整个系统的运行速度和控立的两个电机运行回路中，电机各自受到的扰动，从而导致其伺服性能下降，影响同步运行的性能；其二就是两电机之间存在机械耦合，而两个电机的运动又不能达到绝对的完全同步，因此产生一个电机对另一个电机的影响。针对这两方面因素，我们采取了一些措施来克服它们的影响，提高了系统的同步运行性能。1伺服电机驱动器13伺服电机lfl光电编码器2伺服电机驱动器司服电机2光电编码器出药升降机电控系统构成3.2.1线性插补运动模式在同步运动中的应用线性插补是一般运动控制器具有的基本功能和实现高精度控制的基本手段在升降机双电机的同步控制中，我们应用PMAC控制器具有的线性插补运动模式指令LINEAR，使双电机按照451斜线轨迹进行线性插补运动，并将双电机的同步位置误差作为偏差给定，通过控制器再返回各电机的指令通道以补偿误差，从而保证了系统的同步性能，大大提高了升降机的位置重复精度3.2.2电机跟随误差极限的设定电机跟随误差极限包括致命跟随误差极限和警告跟随误差极限如果电机实际位置对命令位置的滞后超出了致命跟随误差预设值，PMAC控制器按照程序关闭出错的电机，同时其它电机是否关闭是可以选择的；如果电机实际位置对命令位置的滞后超出了警告跟随误差预设值，PMAC控制器产生一条消息，警告出现了一个非致命跟随误差，通过该消息控制系统决定下步操作以消除电机的位置误差PMAC控制器的疫量Ixl1Ixl2分别用于设定致命跟随误差极限和警告跟随误差极限Ix11致命跟随误差极限的设定会影响升降机双电机同步控制的性能。若该值设定较大，会导致电机的伺服定位精度降低；若该值设定较小，则升降机在允许的定位精度范围内正常运行时，会经常出现因超出致命跟随误差而报警停车的现象，从而影响到升降机的正常运行。Ix12设置了电机跟随误差的警告位，当跟随误差超过Ix12时，电机可被触发进行复位运动在实际调试运行中，制精度4出药升降机电控系统构成见图feetrcmiePubMnn我们在允许的定位精度前提下htt为设了较大的值；1x12的设定值要小于1x11，否则将不会起作用。3.2.3系统PID参数调节PID控制不要求有精确的受控对象的数学模型，并且控制效果一般是比较令人满意的，所以在升降机双电机的同步控制中，我们对两轴的PID参数进行了反复调节在PMAC控制器中，比例增益K，变量为1x30，提供系统的刚性；微分增益Kd变量为1x31，用于提供系统的阻尼以保证系统的稳定；积分增益K，变量为1x33，用于降低系统的稳态误差。根据上述的原则采用试凑法进行PID参数调节，其步骤为：确定比例增益确定比例增益Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令K=0Kd=0，使PID为纯比例调节。将比例增益系数Kp由小到大变化（系统默认值K，=2000），观察系统响应，直至响应速度快、有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需纯比例调节器即可。确定积分增益Ki：比例增益K，确定后，如果系统静差达不到设计要求，则可加入积分作用。设定一个较大的积分增益的初值，然后逐渐减小K，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大K，直至系统振荡消失，静差消减为0反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。这时的超调量若比原来加大，应适当降低比例增益确定微分增益Kd：微分增益Kd―般不用设定，为0即可，若使用比例积分（PI）控制器经过反复调整仍达不到设计要求或不稳定，则需加入微分作用，调节时将微分增益Kd由零递增，观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例增益和积分增益，逐步试凑，直到满意为止。另外还有几个伺服控制I变量可以减小伺服系统的轨迹误差：电机速度前馈增益Kff变量为Ix32，可以减小轨迹误差、增大系统阻尼、改善系统的动态性能；电机加速度前馈增益K//变量为Ix35，可减小惯性迟滞引起的跟踪误差这几个参数在基本PID参数调节好后试凑调节。基本参数的调节可以根据伺服轴的阶跃响应特性进行，前馈控制参数的调节则根据抛物线响应特性进行，参数调节好后的响应曲线见~其中，cts为码盘计数反馈值，可认为是位置反馈值4实验曲线出药升降机的速度范围为0.8m/s~1m/s，在实际运行时，升降机运行平稳，快速性好。在出药升降机速度为1m/s运动行程为1.5m往复运动30次时，使用百分表对其重复位置精度进行测量，实验曲线见从中可以看到升降机的重复位置精度在转载请注明出处，谢谢。升降机